Traitement du biogaz: nettoyage, séchage et valorisation du biogaz

Qu’est-ce que le biogaz?

Le biogaz est un combustible qui est généré avec la dégradation de la matière organique.

Il est très habituel qu’il se produise dans des endroits comme des décharges, qui accumulent de grandes quantités de déchets solides qui subissent des processus de décomposition.

Ce biogaz ne peut pas être émis vers l’atmosphère, car il contient un pourcentage élevé de méthane, qui est un gaz hautement inflammable et qui peut également provoquer l’asphyxie D’autre part, le biogaz produit généralement des problèmes d’odeurs.

La gestion du biogaz se centre sur 2 alternatives:

• Élimination: il existe des torches destinées à bruler le biogaz et éviter ainsi son émission vers l’atmosphère

• Valorisation énergétique (traitement et réutilisation) : le biogaz doit être capté et soumis à un traitement, après lequel il peut être mis à profit pour produire de l’énergie électrique, ce qui permet de profiter de sa capacité à produire de l’énergie électrique.

  Cette énergie peut être réutilisée dans la décharge ou incorporée au réseau de distribution électrique si l’on parvient à produire la quantité suffisante. On parvient ainsi à remettre à profit des ressources naturelles et à faire des économies.

Évaluation énergétique du biogaz

Actuellement, la production de biogaz résultant de la valorisation énergétique des déchets avec matière organique biodégradable, est en croissance constante.

C’est une source d’énergie renouvelable qui peut être utilisée pour produire de l’énergie électrique et de l’énergie thermique grâce à des moteurs de cogestion ou des micro-turbines, il est possible de le conditionner pour une utilisation dans les piles de combustible et il peut même être utilisé en tant que combustible pour véhicules et y-compris pour son injection au réseau de gaz naturel.

Par conséquent, la valorisation énergétique permet, en plus de trouver un débouché
satisfaisant écologiquement pour les déchets, d’obtenir un rendement économique qui réduise les coûts d’exploitation des autres installations.

L’utilisation du biogaz pour l’obtention d’énergie est due à sa teneur élevée en méthane (CH4).

Une composition typique du biogaz pourrait être:

• Méthane (CH4): 55-70%
• Dioxyde de carbone (CO2): 30-45%
• Hydrogène (H): 1-3%
• Azote (N): 0,5-3%
• Acide sulfhydrique (H2S): 0,1-0,2%
• Traces de vapeur d’eau

Cependant, la composition concrète dépendra du substrat à partir duquel le biogaz est obtenu (eaux usées, décharges, déchets agricoles et d’élevage, sous-produits carbonates de l’industrie, etc.), ainsi que des paramètres du processus de digestion (température, pH, temps de résidence, etc.).

Parfois, en fonction de son origine, le biogaz contient des concentrations élevées de contaminants qui empêchent leur mise à profit s’ils ne sont pas éliminés préalablement. Ces contaminant sont principalement:

• Acide sulfhydrique (H2S): il se forme par réduction biologique des sulfates en conditions anaérobies.

• Siloxanes: famille de composés qui contiennent du silicium et qui procèdent de l’utilisation des cosmétiques et des silicones.

En fonction du type de mise à profit du biogaz que l’on souhaite effectuer, il faudra éliminer certains contaminants, sinon tous. Dans le tableau sont affichées les substances polluantes comme celles qui sont propres à la composition habituelle du biogaz, qui doivent être éliminés en fonction de l’application du biogaz.

Comme on peut le déduire du tableau, le traitement du biogaz sera spécifique en fonction du type de mise à profit que l’on souhaite réaliser et des contaminants présents. Par conséquent, grâce à différentes techniques consolidées et efficaces, on peut effectuer le traitement du biogaz le mieux adapté de manière à ce que celui-ci s’adapte aux conditions nécessaires pour son utilisation postérieure.

Techniques de purification de biogaz selon contaminant

Ci-dessous, nous analysons, pour chaque type de contaminant, à quel moment il doit être éliminé et quelle est la technique qui convient le mieux:

Acide sulfhydrique (H2S)

Il s’agit d’un composé très odorant, toxique et corrosif. De plus, sa combustion produit du SO2, ce qui est l’une des causes principales du phénomène des pluies acides.

Techniques employées

• Désulfuration biologique: c’est la technique la plus compétitive même lorsque la charge est élevée, grâce à son efficacité élevée et ses faibles coûts d’exploitation.

• Contre-lavage à l’eau de pression: Absorption dans l’eau basée sur la différence de polarité.

• Lavage chimique par scrubbers: Il est utilisé en tant qu’alternative biologique. C’est une technique efficace mais moins économique et elle nécessite l’utilisation de produits chimiques.

• Dosage de sels ferreux dans le digesteur: il permet d’atténuer la formation de ce polluant, par précipitation du sulfure (en réduisant la formation de sulfhydrique)

Dioxyde de carbone (CO2)

Il ne s’agit pas d’un polluant propre au biogaz, car il est inoffensif pour la plupart des applications. Cependant, celui-ci doit être séparé si l’on souhaite disposer de méthane concentré, soit pour être utilisé en tant que combustible pour automobiles ou bien pour une injection dans le réseau de gaz naturel.

Techniques employées

• Contre-lavage à l’eau de pression: Absorption dans l’eau basée sur la différence de polarité.

  Autant le CO2 que le H2S sont retenus tandis que le méthane non, à cause des différences de polarité entre les deux premières molécules et celle de méthane, qui est non polaire. La solubilité du CO2 dans l’eau dépend de la pression, de la température et du pH.

  Pour achever d’éliminer complètement le CO2, cette étape peut être complétée par une précipitation avec Ca(OH)2 du H2S et du CO2 pour obtenir du CaCO3 et du CaS.

Eau (H2O)

À la sortie du digesteur, le biogaz est saturé de vapeur d’eau et pour la majorité des applications il sera nécessaire de le sécher. Pour ce faire, on peut réfrigérer la tuyauterie et l’eau est récupérée.

Techniques employées

• Réfrigération: La tuyauterie est refroidie, ce qui permet de récupérer l’eau condensée. Si l’on souhaite une élimination totale de la vapeur d’eau, il est possible de l’absorber grâce à un agent séchant comme du gel silique ou Al2O3.

Siloxane

Il s’agit d’une famille de composés de silicium qui se trouvent sous forme de vapeur dans le biogaz. Ils se cristallisent en partie pour former du silicium qui provoque une forte abrasion sur les équipements mécaniques. Ils sont séparés du biogaz par absorption avec charbon actif.

Techniques employées:

• Absorption avec charbon actif: avec cette technique on obtient un rendement élevé qui permet de réduire ces composés à ppb(v).

BTEX, hydrocarbures et composés hallogènes

Les filtres à charbon actif absorbent également ceux qui peuvent être contenus dans le biogaz.

Si l’on souhaite du méthane avec un pouvoir calorifique (PCI) similaire à celui du gaz naturel, il existe une alternative de purification constante avec le filtrage par membrane..

Le gaz à purifier passe au travers d’une membrane sélective et en fonction de la différente perméabilité de la membrane aux différents composés, ceux-ci se perméabilisent et le méthane s’enrichit.

Le design de la membrane est le plus adapté à la séparation sélective de différents gaz, principalement du CO2 et du méthane. La purification est effective, même s’il existe une certaine perte de méthane avec le CO2 séparé, de plus ce sont des systèmes couteux.

Enrichissement de biogaz ou « biogas upgrading »

Parmi les différentes technologies utilisées pour le traitement du biogaz, on peut signaler le contre-lavage avec eau sous pression.

Cette technologie est celle qui bénéficie de la meilleure flexibilité possible pour le traitement du biogaz, indépendamment de sa qualité et de sa quantité. Elle est utilisée pour enrichir le biogaz à la qualité du gaz naturel, ce qui permet sa réutilisation sur les installations mêmes ou sa connexion au réseau d’approvisionnement de gaz naturel.

Par son application on peut séparer efficacement le CO2 et le sulfure d’hydrogène en une seule étape et avec un processus complètement automatisé.

Les principaux avantages obtenus sont:

• Les stations sont réalisées en modules standard avec différentes capacités et une mise en place facile.
• Le CO2 est éliminé du biogaz grâce à la technologie d’épuration par eau sous pression.
• Aucun produit chimique n’est consommé.
• Aucune désulfuration préalable n’est requise.
• Il n’y a pas de demande de chaleur.
• Efficacité de récupération du méthane de 99%.
• Grande flexibilité face aux variations de contenu de CH4.
• Énergie verte.

Processus de contre-lavage à l’eau sous pression

Le biogaz est comprimé jusqu’à 7 bars et il est ensuite lavé dans un flux d’eau à contre-courant dans une colonne de lavage. Le dioxyde de carbone et le sulfure d’hydrogène ont une solubilité dans l’eau bien supérieure au méthane et ils se dissolvent.

Pour réduire la perte de méthane dans le processus, l’eau de lavage est transférée à un réservoir d’expansion. Une des parties des gaz dissous est regazéifié et ils peuvent être comprimés à nouveau.

Dans une colonne de désorption, l’eau de lavage se régénère en la séparant du dioxyde de carbone et du sulfure d’hydrogène en un flux d’air à contre-courant afin de réduire au minimum la consommation d’eau fraiche.

Après ce processus, trois résultats sont obtenus:

1. L’eau de lavage, qui est refroidie à basse température pour pouvoir être réutilisée par l’épurateur-laveur.

2. Le biogaz propre qui sèche (d’abord dans un filtre coalescent et ensuite en deux colonnes d’absorption en parallèle aux points de condensation bas) et il peut être remis à profit.

3. L’air en provenance de la colonne de désorption est chargé de dioxyde de carbone, de sulfure d’hydrogène et de traces de méthane, il doit donc être traité avant son émission afin de respecter la norme en vigueur.

L’oxydation thermique régénérative (RTO) est la meilleure technologie pour atteindre les valeurs d’émission qui s’adaptent à la norme dans chaque pays.

Ces systèmes se caractérisent par l’inclusion de dispositifs, appelés régénérateurs, qui récupèrent la chaleur des gaz épurés.

Ces régénérateurs sont des éléments en matériau céramique qui accumulent la chaleur des gaz qui sortent de la chambre d’oxydation. Grâce à un système de vannes, des cycles de fonctionnement consécutifs sont établis, qui permettent aux gaz épurés, qui se trouvent à une température élevée (environ 800º C.), cèdent leur chaleur aux masses céramiques pour que les gaz contaminés, qui arrivent froids à l’installation, prennent de celles-ci cette chaleur dans le cycle suivant.

Ainsi, ce lit inerte qui agit comme préchauffant et récupérateur dépend du flux d’air qui le traverse, permet de récupérer jusqu’à 95 % de la chaleur produite dans la réaction d’oxydation, il est donc possible de réduire drastiquement les frais d’exploitation de ce type de stations.

On trouve différents équipements de RTO:

• Deux foyers (avec ou sans foyer de compensation).
• Trois foyers.
• Plus de 3 chambres pour traiter des flux très élevés.

Les principales caractéristiques de ces équipements sont:

• Consommation de combustible minimale avec des efficacités de récupération de chaleur très élevées.
• Coûts d’exploitation et de maintenance très faibles.
• Efficacité d’épuration élevée.
• Longue vie utile de l’équipement.
• Équipement fiable aux performances prouvées.

Usages du biogaz

La plupart des stations de biogaz sont équipées d’installations de cogénération qui produisent de l’électricité et de la chaleur. Parfois, il est impossible d’utiliser l’excès de chaleur et par conséquent le résultat des stations de DA n’est pas optimisé. Dans ces cas, l’alternative est la production de biométhane qui offre des variantes économiques intéressantes.

Grâce aux technologies d’enrichissement du biogaz, le CO2 est éliminé du biogaz très efficacement et l’on produit du biométhane avec une qualité équivalente à celle du gaz naturel (CH4 97-99%). Il faut souligner que le biométhane est un gaz renouvelable de qualité élevée, qui peut être injecté directement au réseau existant de gaz naturel.

Il peut être utilisé pour:

• La combustion dans des installations éloignées de la production (cycle combiné).
• Biogaz pour la consommation directe dans les foyers ou l’industrie.
• Biocombustible pour véhicules.